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Introduzione - Solidi e liquidi - Gas perfetti - Legge di stato

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La legge di stato dei gas perfetti


Durante una trasformazione di un gas, in generale le tre grandezze pressione, volume e temperatura variano e si condizionano reciprocamente; ma come abbiamo visto, sono legate tra loro dalle legge di Avogadro; possiamo perciò sfruttare le leggi di Gay-Lussac e di Boyle-Mariotte per formulare un'unica relazione tra queste grandezze; in particolare usiamo le formule che coinvolgono le temperature assolute, per avere relazioni più semplici.

Legge di stato dei gas perfetti (1)

In un gas perfetto il prodotto tra pressione e volume è direttamente proporzionale alla propria temperatura assoluta.

p · 𝒱   ∶   T   =   p0 · 𝒱0   ∶   T0

Questa formula ci permette, tramite opportune proporzioni, di calcolare le grandezze incognite conoscendo le condizioni iniziali del gas, e alcune gradezze finali. Inoltre la legge dei gas perfetti generalizza e racchiude in s´ le leggi di Gay-Lussac e di Boyle-Mariotte.

Esempio 6. Un gas subisce una compressione in cui il volume si dimezza e la pressione triplica; sapendo che la temperatura iniziale è 50°C, troviamo la temperatura finale

Dati:
𝒱 = 𝒱0 · 0,5
p = p0 · 3
Θ0 = 50°C   ⇒   T0 = 323,15K
Θ = incognita

Soluzione:
Usiamo la legge di stato, da cui esplicitiamo T:

p·𝒱   ∶   T   =   p0·𝒱0   ∶   T0

T = (T0 p·𝒱)   ∶   (p0·𝒱0)

Sostituiamo i dati noti, lasciando gli altri con le lettere:

T = (323,15K) · 3p0 · 0,5𝒱0   ∶   (p0·𝒱0)

Possiamo semplificare i due 𝒱0 e anche i due p0:

T = (323,15K) · 3 · 0,5

T = 484,725K

Conclusione: la temperatura finale è circa 485K, ossia 212°C.

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Formule equivalenti della legge di stato


La legge di Avogadro afferma che questo rapporto costante dipende solo dalla quantità di sostanza, quindi dal numero di moli del gas (vedi qui), ossia:

p0 · 𝒱0   ∶   T0   ≡   n · R

Dove n è il numero di moli, mentre R una costante di proporzionalità. In questo modo la legge di stato può esser riscritta in quest'altra forma:

p · 𝒱   ∶   T   =   n · R

Da cui, moltiplicando a sinistra e a destra per T, otteniamo una nuova espressione della legge:

Legge di stato dei gas perfetti (2)

p · 𝒱   =   n · R · T

La costante R vale circa 8,31J/K·mol, ed è chiamata costante dei gas perfetti.

Indicando con N il numero totale di molecole presenti in un gas, e ricordando che N = n · NA, possiamo riscrivere la legge in una ulteriore forma:

Legge di stato dei gas perfetti (3)

p · 𝒱   =   N · kB · T

Essendo kB una costante data da R ⁄ NA. Tale costante si chiama costante di Boltzmann e vale circa 1,38 · 10−23J/K.

Esempio 7. Quanto volume occupano 2 moli di un gas perfetto, a temperatura di 20°C e alla pressione di 1,5 · 105Pa?

Dati:
𝒱 = incognita
p = 1,5 · 105Pa
Θ = 20°C   ⇒   T0 = 293,15K
n = 2
R = 8,31J/K·mol

Soluzione:
In questa situazione usiamo la seconda formulazione della legge di stato, da cui esplicitiamo 𝒱:

p · 𝒱 = n · R · T

𝒱 = n · R · T ⁄ p

Sostituiamo i dati noti:

𝒱 = (2 · 8,31 · 293,15 / 1,5·105)m³

𝒱 = 3248 · 10−5

𝒱 = 0,03248m³

Conclusione: il gas occupa un volume di 0,03248m³, ossia 32,48dm³.

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